Study on Axial Flux Hysteresis Motors Considering Airgap Variation

Axial flux hysteresis motor (AFHM) is self-starting synchronous motor that uses the hysteresis characteristics of magnetic materials. It is known that the magnetic characteristics of hysteresis motor could be easily affected by air gap and structure dimensions variation. Air gap length plays an important role in flux distribution in hysteresis ring and influences the output torque, terminal current, efficiency and even optimal value of other structural parameters of AFHM. Regarding this issue, in this study effect of air gap variation on performance characteristics of an axial flux hysteresis motor and effect of air gap length on hysteresis ring thickness and stator winding turns is investigated. Effect of air gap length on electrical circuit model is perused. Finally, simulation of AFHM in order to extract the output values of motor and sensitivity analysis on air gap variation is done using 3D-Finite Element Model. Hysteresis loop in the shape of an inclined ellipse is adopted. This study can help designers in design approach of such motors.

基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断研究

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行归一化处理,并绘制雷达图,根据雷达图和比较相同定子电流幅值下健康电机和故障电机的各极下径向气隙磁密幅值的平均值,来诊断均匀退磁故障;利用空载各极下径向气隙磁密幅值的平均值计算故障程度。最后,仿真和实验结果均验证所提均匀退磁故障诊断方法的有效性。

气隙偏心对同步发电机定子绕组温升特性的影响

为了分析同步发电机气隙偏心对定子绕组的铜耗及温升的影响规律。首先理论推导了正常情况和偏心下的磁通密度及相应的铜耗,分析了绕组的温升特性;然后建立了CS-5型故障模拟发电机的三维有限元模型,计算得到了发电机在不同负载和不同故障程度下定子绕组的铜耗和温度变化规律;最后在CS-5型故障模拟发电机上对定子绕组温度进行了实测,所得实验结果和仿真数据与理论分析结论基本一致。研究发现:定子绕组直线段温度高于端部温度;定子绕组的铜耗和温度在气隙偏心工况下均高于正常情况,且随着偏心量和负载的增加呈现升高趋势;在静偏心下靠近小气隙一侧的绕组温度高于其他部位。

基于气隙磁密差信号峭度因子的永磁同步电机局部退磁故障诊断

该文提出一种新型基于气隙磁密信号差峭度因子的永磁同步电机局部退磁故障诊断方法。首先,建立永磁同步电机等效磁路模型,根据简化模型分析局部退磁故障后各极主磁路下径向气隙磁密的变化规律。然后,将预存健康电机空载状态下气隙磁密信号与测量的在线状态下气隙磁密信号作差并计算其峭度值,作为故障特征值。取健康电机空载状态下气隙磁密信号与不同工况下气隙磁密信号差峭度值的最大值作为参考值,根据故障特征值与参考值的大小诊断出局部退磁。最后,仿真和实验结果均验证提出的局部退磁故障诊断方法的有效性。

表贴式高速永磁同步电机失磁故障及磁体选区渗重稀土研究

针对表贴式高速永磁同步电机永磁体在受到高温、强退磁磁场等因素影响易产生局部不可逆失磁故障问题,本文基于有限元分析方法,分别建立了一台24 kW表贴式高速永磁同步电机的二维和三维仿真计算模型,在计及该电机在各类不同的退磁因素作用下,确定了电机磁体发生局部不可逆失磁故障的位置,并预测了磁体的进一步失磁扩散趋势。对比了电机在有无失磁故障情况下的空载气隙磁密和反电动势,并研究磁体不可逆失磁故障对电机运行的影响。由于永磁体易在部分区域发生不可逆失磁,故本文将磁体材料更换为较低牌号,并运用选区渗重稀土技术改善易失磁区域材料特性来提升磁体整体抗失磁能力。在此基础上,探究了更为合理的重稀土渗入区域及渗入梯度,从而保证在不失电机性能的前提下,实现了重稀土元素的极限应用,为表贴式永磁电机磁体选区渗重稀土技术提供了参考。

一种应用于精密隔振平台的双曲线磁通磁轴承设计

针对精密隔振系统磁轴承存在悬浮力密度小、波动大以及耦合力大问题,设计了一种双曲线磁通结构的磁轴承(MBHFM)。首先利用等效电流法和永磁体镜像法推导了带有磁轭的双曲线磁通的磁轴承的气隙磁场和悬浮力的表达式,并分析了磁轴承悬浮力波动对隔振性能的影响。其次根据双曲线磁通的磁轴承悬浮力线性分布特点,采用电流前馈补偿方法使磁轴承获取更低悬浮力波动的恒定悬浮力。最后,对双曲线磁通的磁轴承与常见的双边Halbach结构磁轴承(MBBH)进行了仿真分析与测试。仿真结果表明所设计双曲线磁通的磁轴承样机静态悬浮力平均值为153.75 N,静态耦合力系数为0.42%,电流前馈补偿后合成悬浮力波动系数为0.15%,较双边Halbach结构磁轴承静态悬浮力密度提高了20%,静态耦合力系数减小了72.2%,合成悬浮力波动系数减小了89.3%。测试结果进一步验证了所设计样机的高性能。

基于槽极比选择的切向永磁同步电机永磁体涡流损耗抑制措施

为抑制切向永磁同步电机的永磁体涡流损耗,基于麦克斯韦方程和本构方程,对永磁体形状进行近似假设,构建了永磁体涡流损耗的估算模型。使用一种基于卡特系数概念的磁导函数来估算由于定子开槽引起的槽下磁感应强度变化。基于五台槽极比分别为1.05、1.20、1.30、2.40和3.60的电机设计方案对理论分析结论进行了验证。在负载电流和两倍负载电流下,分析永磁体损耗,得到了每台电机的径向气隙磁密曲线及其谐波含量。考虑到增加槽极比对定子铁耗和永磁体涡流损耗的削弱效果,给出了电机槽极比选择策略。研究结果表明,增加槽极比能减弱定子槽下磁感应强度变化,从而抑制气隙磁场中低次谐波含量,减小永磁体涡流损耗,使电机运行更加可靠,但也会引入更多高次谐波,从而增加定子铁耗。

盘式实心磁力耦合器气隙磁场分布及转矩分析

针对一台9对极盘式实心磁力耦合器,为研究其气隙磁场分布及转矩,引入层理论模型,将磁力耦合器划分为非导电区域和导电区域两部分,推导二维标量磁位法,求解非导电区域的标量磁位和导电区域的磁场强度,同时引入卡特系数进行校正,推导出盘式实心磁力耦合器的气隙磁密和输出转矩公式;然后,通过有限元软件模拟得到磁力耦合器的三维气隙磁场分布、涡流分布和输出转矩,并分析了不同工作参数对输出转矩的影响;最后,搭建三维气隙磁场测量试验平台和传动试验平台进行三维气隙磁场和转矩的试验,所得试验结果与理论计算结果、仿真结果基本吻合。结果表明,推导的气隙磁密和输出转矩公式具有较高的准确性,为进一步研究盘式实心磁力耦合器的传动特性提供参考。

新型Halbach阵列盘式永磁电机的磁场解析

基于印制电路板(PCB)技术的盘式永磁电机(AFPMM)提出一种新型Halbach阵列的转子结构,该阵列结构简单、易于优化。运用矢量磁位法对新型转子产生的空载气隙磁密进行解析推导,获得关于气隙磁场的数学模型。基于该模型,保持永磁体总用量不变,以永磁体极弧系数比和径向长度比作为优化变量,气隙磁密基波幅值和谐波畸变率作为优化目标,确立最优转子结构参数。三维有限元仿真结果表明,解析法所得的气隙磁密波形与有限元法基本一致,验证了所提出解析模型的合理性。与传统Halbach阵列相比,新型Halbach阵列气隙磁密基波幅值提升了10.3%,同时谐波畸变率由19.8%降至4.8%,优化效果明显,可以有效降低高频工况下电机的涡流损耗、提升电机效率。最后制造一台样机进行相关实验测试,验证了解析和仿真分析的正确性,对PCB定子AFPMM的设计具有一定参考价值。

风能接入电机气隙磁链定向矢量控制技术

风能是中国最具潜力的可再生能源之一,而影响风能转化应用的主要因素是风力发电机的控制方法及特性。针对风能转化应用过程中遇到的风力发电机控制方法难以实现对风能的有效捕获问题,提出一种基于气隙磁链定向的矢量控制技术,通过6s/2r矢量变换得到旋转坐标系下电机的数学模型;对气隙磁链定向矢量控制技术进行研究,设计电机电流电压混合磁链观测模型,实现对电机转矩与磁通的独立控制;以双Y移30°六相同步电机为例进行仿真分析。结果表明:所提技术在电机空载启动与突加负载时具有较好的稳态性能和动态性能,解决多相电机控制的非线性和耦合性,提高模型的通用性和快速性。

球磨机振动仿真及分析

球磨机作为石油化工企业的关键耗能设备,在国民经济中占据核心地位。其采用的永磁直驱系统显著提升了运行效率,并在节能方面取得显著成效。然而,转子与辊筒的一体设计使得偏心等机械问题复杂且突出,同时定转子间缺乏支撑结构,气隙均匀度难以保证,导致转子偏心风险增加,加剧球磨机振动。聚焦于球磨机永磁同步电机的电磁力研究,通过计算径向气隙磁密和电磁力密度,并仿真不同偏心状态下的振动加速度,探究了抑制偏心和减振的方法。本研究旨在为球磨机的稳定运行提供理论和技术支持,以期降低能耗、提升效率,并减少机械故障。

异步起动永磁同步电机径向电磁力优化分析

异步起动永磁同步电机由于定转子开槽,且转子上有永磁体,气隙磁密谐波含量更高,由气隙磁场产生的径向电磁力谐波较大。现以一台异步起动永磁同步电机为研究对象,通过优化转子磁路结构,改善气隙磁密波形,从而削弱电机的径向电磁力谐波。对比优化前后的电机,优化后电机的径向电磁力谐波得到削弱,电机的空载反电势谐波、齿槽转矩、负载转矩脉动也明显减小,起动转矩波动得到优化。最后通过试验测试了电机的振动加速度和噪声水平,验证了优化设计的合理性和有效性。

10kN推力电动振动台磁路仿真

电动振动台磁路计算是电动振动台设计阶段的重要一环,气隙磁感应强度和台面漏磁是其两个重要性能指标。在设计阶段准确计算出电动振动台气隙磁通密度分布和台面漏磁具有重要意义,有利于缩短研发周期和减少研发成本。本文以10kN推力电动振动台为例,采用有限元法计算其气隙磁通密度分布和台面漏磁,并以实测数据进行对比,结果表明:气隙平均磁通密度仿真结果与实测结果接近,误差仅为1.3%;台面漏磁仿真结果与实测结果误差为29.3%。

不均匀气隙工况下轴向磁通永磁电动式磁悬浮电机的磁场与力特性分析

该文以轴向磁通永磁电动式磁悬浮电机为研究对象,针对其运行过程中存在的气隙不均匀工况,在直角坐标下建立求解该电机磁场和电磁特性的三维解析模型。首先,基于等效电流片模型,推导出轴向磁通Halbach永磁阵列的三维空间磁场分布函数。对该磁场分布函数进行傅里叶级数转换,使Halbach转子三维磁场函数具有形式上连续统一的解析表达式。在此基础上,基于二阶矢量磁位,构建该电机的三维解析模型,推导出悬浮力、水平力和涡流损耗的解析表达式,并通过有限元法验证了解析计算模型的准确性。最后,通过小型样机实验,来验证理论计算的准确性。该文提出的解析模型适用于永磁电动式磁悬浮系统的任意气隙工况,可以作为该系统的一般设计方法。

气隙磁密3次谐波对电机振动噪声的影响

针对电机的电磁振动噪声问题,发现了提高电机气隙磁密的正弦性不一定能够降低电机的振动噪声。鉴于此,分析了引起电机振动和噪声的主要力波阶次和频率,并探究了气隙磁密3次谐波与电机振动噪声的具体函数关系。为了分析引起电机振动和噪声的主要力波阶次和频率,在利用解析法的基础上排出力波表,确定了主要噪声源。为了探究气隙磁密3次谐波对电机振动噪声的影响,建立了气隙磁密及径向力波的数学模型,并通过遗传算法求解了电机气隙磁密3次谐波的最佳幅值。分析结果显示,提高气隙磁密正弦性不一定能够降低电机振动噪声,气隙磁密3次谐波在一定范围内存在最优值使得电机振动噪声最小。分析结果为低噪声电机的设计提供了参考依据。

基于Matlab的气隙磁场教学实践

气隙磁场是电机机电能量转化的媒介,也是电机学理论教学中的重要内容。通常,这部分知识点通过全电流定律来介绍,侧重于定性的分析,没有定量的计算和波形的影响因素分析。基于Matlab的许-克映射(Schwarz-Christoffel)工具箱,编制仿真程序,能够快速计算任意定转子结构下电机的气隙磁密波形,从而能够分析励磁电流、电枢电流、齿槽效应、磁路饱和、气隙长度等对气隙磁密的影响,为电机学类课程的教学提供重要的支持。

裂齿式永磁游标电动机性能分析与比较

针对永磁游标电动机(permanent magnet vernier motor, PMVM)转矩密度大和功率密度高的特点,将其与传统永磁同步电动机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)的性能进行比较研究.给出了6槽32极裂齿式PMVM的结构及工作原理,采用有限元仿真软件JMAG对其永磁磁场和电枢反应磁场的气隙磁密、空载感应电势、转矩、损耗等进行了分析,并与两台具有相同直径、轴长、定子齿数的PMSM进行了定量比较.结果表明:相比于6槽32极和6槽4极PMSM,6槽32极裂齿式PMVM平均转矩分别增加约45.0%和76.2%,转矩脉动减小约90.5%和95.0%,这揭示了PMVM转矩密度大、转矩脉动小的优点.然而,由于PMVM气隙中含有大量不同极对数、不同旋转速度的谐波磁场,导致其铁耗和永磁体涡流损耗较大.

高速轴向磁通永磁电机环形绕组电感计算

高速轴向磁通永磁电机在小功率发电机组上有潜在应用前景。为消除齿谐波,高速轴向磁通电机一般采用无槽铁心和环形绕组结构。为了研究该绕组的电感,采用磁势法和绕组函数法给出了该绕组的电感解析表达式,能计入绕组基波和谐波对电感的影响。采用有限元方法验证了电感解析解的正确性。给出的结论对高速轴向磁通电机的后续稳态、瞬态分析提供了理论参考。

电磁式平衡头动环自锁特性分析与实验研究

针对电磁式平衡头动环结构整体设计过程中存在的自锁磁场与自锁力矩问题,对电磁式平衡头动环自锁特性进行了有限元仿真分析与实验研究。首先,根据磁路自锁原理,建立了由磁性齿盘、永磁体、配重盘3个零件构成的三维模型;然后,利用Ansoft-Maxwell平台,通过控制单一变量的方式,分析了永磁体对数对气隙磁密和自锁力矩大小的影响,研究了气隙对自锁力矩的影响;最后,基于扭矩传感器及LabVIEW软、硬件搭建了实验平台,通过增减垫片数量的方式,进行了自锁力矩气隙实验。研究结果表明:永磁体对数从8对增加到18对时,有效工作区最小磁通密度增加了103%;有限元分析结果与实验结果的差值在15%以内,且实验数值与有限元分析数值整体趋势一致,自锁力矩随气隙的增大逐渐减小;该实验结果证实了仿真结果的可靠性,为电磁平衡装置的整体分析与优化提供了依据。

模块化多单元磁通切换电机设计与特性分析

该文提出一种具有高转矩密度、低转矩脉动的新型模块化多单元磁通切换(modularelementaryfluxswitching permanentmagnet,ME-FSPM)电机结构,研究槽极配合对电磁特性的影响。基于气隙磁场调制原理,从永磁磁场调制的角度阐明ME-FSPM电机气隙磁导调制系数对永磁磁密调制谐波影响规律。由于轴向模块配合与集成环形绕组拓扑,ME-FSPM电机不同槽极配合下具有高绕组因数特征,进而针对性的定义气隙磁导调制系数是决定永磁磁链基波幅值的关键参数。依据气隙磁导调制系数模型,揭示电负荷恒定下转子极数与电磁转矩变化规律。基于气隙磁密分布规律,分析模块配合下齿槽转矩抑制原理,依据槽极配合选择实现齿槽转矩基波抵消以及输出转矩提升,提出ME-FSPM电机槽极配合选择方法。最后,在6槽ME-FSPM电机结构下,选择6槽/7极和6槽/8极结构具有良好的转矩特性,并通过仿真与实验验证理论方法的合理性与有效性。